CN115701132A - 一种用于减少图像传感器背景噪声的方法和像素电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种用于消除图像传感器背景噪声的像素电路及方法，其特征在于，包括：光电二极管，用于接收光信号，并生成光生电子；第一调制晶体管和第二调制晶体管，与所述光电二极管连接用于调制所述光生电子；第一传输晶体管和第二传输晶体管，用于传输所述光生电子,所述第一调制晶体管与所述第一传输晶体管连接并形成第一节点，所述第二调制晶体管与所述第二传输晶体管连接并形成第二节点；第一复位晶体管，与所述第一传输晶体管和/或第二传输晶体管连接，用于复位所述第一节点和/或第二节点，其中，当所述像素电路完成积分之后，所述第二调制晶体管再次开启，开启时间为第一时间。

Description

一种用于减少图像传感器背景噪声的方法和像素电路

技术领域

本申请涉及图像传感器技术领域，更具体的，涉及一种用于减少图像传感器背景噪声的方法和像素电路。

背景技术

图像传感器是通过接收光信号并将其转换成电信号并输出的仪器。一般的，图像传感器包括像素电路，像素电路中包括，光电二极管，至少两个调制晶体管，至少两个传输晶体管，复位晶体管。传统的图像传感器的像素电路的一个工作周期包括：复位，积分和读出。复位时间段内，图像传感器的每个节点被复位至特定电压；在积分时间内，图像传感器的不同传输路径收集不同相位的调制信号所接收到的光生电子，在读出时间内，图像传感器的选通信号打开，不同传输路径的信号被分别读出。

然而，在图像传感器复位结束到积分开启，由于图像传感器中的调制晶体管不是同时开启，因此，首先打开的调制晶体管接收了这段时间内，光电二极管上累计的背景信号，而后打开的调制晶体管并没有接收该背景信号，这种不对称的读取方式会导致背景光信号不能被后续处理电路中完全抵消，从而导致使用该像素电路的图像传感器的测量产生误差。

发明内容

本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种用于减少图像传感器背景噪声的方法和像素电路，用于减小背景噪声，提高图像传感器的测量精度。

为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种用于减少图像传感器背景噪声的像素电路，其特征在于，包括：

光电二极管，用于接收光信号，并生成光生电子；

第一调制晶体管和第二调制晶体管，与所述光电二极管连接用于调制所述光生电子；

第一传输晶体管和第二传输晶体管，用于传输所述光生电子,所述第一调制晶体管与所述第一传输晶体管连接并形成第一节点，所述第二调制晶体管与所述第二传输晶体管连接并形成第二节点；

第一复位晶体管，与所述第一传输晶体管和/或第二传输晶体管连接，用于复位所述第一节点和/或第二节点，

其中，当所述像素电路完成积分之后，所述第二调制晶体管再次开启，开启时间为第一时间。

可选地，该第一时间介于第一复位晶体管关断后到第一调制晶体管开启前。

可选地，在所述第一复位晶体管关断之前，所述第一传输晶体管和/或第二传输晶体管关断，在所述第一调制晶体管开启之前，所述第一传输晶体管和/或第二传输晶体管开启。

可选地，所述的像素电路还包括，像素复位晶体管，与所述光电二极管连接，用于复位所述光电二极管。

第二方面，本申请提供一种用于消除图像传感器背景噪声的方法，其特征在于，包括：

复位，将所述传感器中电路的各个节点的电压复位；

积分，将所述图像传感器接收到的光生电子传输至存储单元累计；

读出，将所述存储单元上的光生电子读出；

其中，在读出时间内的第一时间，再次积分收集光生电子，再将收集到的光生电子读出。

可选地，所述第一时间不超过所述复位截止至积分开始的时间差。

可选地，在像素复位完成之后积分开始之前，禁止所述光生电子传输至存储单元，所述像素复位是指对于所述图像传感器中的光电二极管进行复位。

本申请的有益效果是：通过改变该图像传感器的电路的时序，减少像素电路中的背景噪声，提高图像传感器的测量精度。

本申请提供一种用于消除图像传感器背景噪声的像素电路，其特征在于，包括：

光电二极管，用于接收光信号，并生成光生电子；

第一调制晶体管和第二调制晶体管，与所述光电二极管连接用于调制所述光生电子；

第一传输晶体管和第二传输晶体管，用于传输所述光生电子,所述第一调制晶体管与所述第一传输晶体管连接并形成第一节点，所述第二调制晶体管与所述第二传输晶体管连接并形成第二节点；

第一复位晶体管，与所述第一传输晶体管和/或第二传输晶体管连接，用于复位所述第一节点和/或第二节点，

其中，当所述像素电路完成积分之后，所述第二调制晶体管再次开启，开启时间为第一时间。

通过在读出时间段内，调制晶体管信号仍然保持一段时间的高电平，且该时间长度可以等于复位信号拉低后到调制信号的第一个上升沿到来时的时间长度，这样就可以保证，同样时长背景光信号可以被像素中的光电二极管收取并积累，且在第二传输晶体管打开时被传输至存储节点上存储。实际应用中，相同时长的背景光信号被认为会产生相同的光生电子，导致相同的背景噪声，因此，本申请提出的电路，可以通过设置调制栅在读出时间段内再次开启，消除背景噪声。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种TOF测距的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种像素电路图；

图3为一种传统的像素电路的时序图；

图4为本申请实施例提供的一种消除背景噪声的像素电路的时序图；

图5为本申请实施例提供的另一种消除背景噪声的像素电路的时序图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

图1为一般的TOF测距原理图，通过发射光信号和回波信号之间的相位差，得到传感器和待测物体之间的飞行时间，进而计算得到距离信息。如图所示，从光源101发出一束发射光信号。所述发射光信号可以为经过伪随机序列调制后的激光脉冲信号或者普通的激光脉冲信号。该发射光信号经过物体102反射后被透镜103聚焦在图像传感器104的像素上。图像传感器接收的信号为回波信号和背景光信号或仅有背景光信号，且假设背景光信号一定时间内时均匀的。通过图像传感器104里的像素电路对接收到的信号进行信号减少或信号提取，减少背景光部分，得到纯回波信号，最后通过每个像素检测返回的光中回波信号相对于发射光信号的相移可以检测周围的物体的距离。

一般的，在实际应用中，光源101通常采用正弦波发射光，图像传感器接收104接收到的正弦波和光源101发射的正弦波的相位偏移和物体102的距离成正比。假设发射的正弦波信号为

经过延时t1后，图像传感器104接收到的信号为

当图像传感器104用延迟间隔相等的四个时间去接收，也就是用0°，90°，180°，270°相位时间延时接收，该四个不同的信号的表达式见公式(1-3)；

当光源101发射出的光信号经过探测器进行接收积分后得到电信号，见公式1-4、1-5、1-6、1-7，其中B为背景光噪声。

将上述四个公式中的Q0与Q180相减，即可消掉背景光噪声，同理，Q90与Q270相减，也可以消掉背景光噪声。相减后的信号见公式1-8和公式1-9；

为了求得相位wΔt，还需要消掉A_R振幅对相位产生的影响。所以将公式1-9与公式1-10进行除法运算，得到公式1-10；

由此，可以求得相位，并得到距离R，见公式1-11；

由上述理论公式可知，图像传感器需要得到0°，90°，180°，270°相位下所接受到的电荷数。一般的，图像传感器需要通过采样像素单元中的电压，得到特定相位下的电荷数。

下面结合图2详细说明图像传感器104中像素电路的工作原理，需要说明的是，图2中的像素电路是以像素中是两个TAP，即PGA与PGB，对于像素电路由多少个TAP，本申请对此不做任何限定。

如图2所示，像素电路中包括：光电二极管201，调制栅晶体管202、调制栅晶体管203、传输栅晶体管204、传输栅晶体管205、复位晶体管207、复位晶体管208、浮动扩散电容FD1、浮动扩散电容FD2、源极跟随器210、源极跟随器211、选通晶体管212和选通晶体管213。

下面结合该像素电路的时序图3，详细说明该像素电路的工作流程。像素的一个周期内可以分为三个时间段，分别为复位时间，积分时间和读出时间。

在复位时间内，分别对像素中的光电二极管201和浮动扩散电容FD1、浮动扩散电容FD2进行复位操作，如图3所示，在该时间内，复位晶体管207、复位晶体管208的栅极信号RST保持高电平，这样，保证了浮动扩散电容FD1、浮动扩散电容FD2上的电荷被完全复位。

需要说明的是，在复位时间内，传输晶体管204和传输栅晶体管205的栅极控制信号TX也保持高电平，即传输晶体管204和传输栅晶体管205为开启状态。当复位结束后，RST信号保持低电平，此时，复位时间也结束。

在积分时间内，复位信号拉低，传输栅晶体管204的栅极TX、传输栅晶体管205的栅极TX，这两个传输栅信号TX拉高，即传输晶体管204和传输栅晶体管205打开，像素中的两个TAP信号分别为相差半个周期的同频信号。

具体的，如图3所示，即在一个时钟周期内依次打开PGA和PGB。更具体的，在时钟的前半个周期，PGA信号拉高，调制栅晶体管202打开，像素中产生的光生电子通过调制栅晶体管202进入浮动扩散电容FD1并在其中保存；在时钟的后半个周期，PGB信号拉高，调制栅晶体管203打开，像素中产生的光生电子通过调制栅晶体管203进入浮动扩散电容FD2并在其中保存。

当积分时间完成后，PGA和PGB这两个信号均保持低电平，像素中产生的光生电子不会被导出，此时，即积分时间完成。

在读出时间内，传输信号TX关断，选通晶体管212的栅极SEL1和选通晶体管213的栅极SEL2，依次被拉高，即当传输信号TX关断后，选通晶体管212的栅极SEL1接高电平，此时，存储在FD1上的光生电子被读出，在选通晶体管212的栅极SEL1保持一定时间的高电平后，将其拉低，完成FD1上电荷的读取。然后，选通晶体管213的栅极SEL2接高电平，此时，存储在FD2上的光生电子被读出，在选通晶体管213的栅极SEL2保持一定时间的高电平后，将其拉低，完成FD2上电荷的读取。

当FD1和FD2的电荷都被读出后，该像素电路的一个工作周期完成。即在该周期内完成了复位，积分和读出的所有功能。

可选择的，在读出时间内，RST信号拉高，可以提供像素电荷的溢出路径，改善图像质量。

然而，在实际应用中，在从RST拉低后，即复位晶体管207和复位晶体管208关闭，到PGA信号被拉高，即调制栅晶体管202开启前，即光生电子被传输至FD1上存储之前，背景光会被像素中的光电二极管201收取并积累，且在PGA打开时被传输至FD1上存储。然而，该情况并不会在PGB信号被拉高后发生，因为这段时间内的背景光已经被传输至FD1上并存储。

因此，这种不对称的读取方式会导致背景光信号不能被后续处理电路中完全抵消，从而导致使用该像素电路的图像传感器的测量产生误差。

因此，本申请提出的一种用于减少图像传感器背景噪声的方法和电路，通过改变该图像传感器的电路的时序，减少像素电路中的背景噪声，提高图像传感器的测量精度。

下面，结合图2和图4，详细说明本申请提供的减少图像传感器的背景噪声的方法和电路的详细原理和具体操作流程。

如图2和图4所示，本申请提供了一种减少图像传感器的背景噪声的电路，该像素电路的一个工作周期可以分为三个时间段，分别为复位时间，积分时间和读出时间。

如上所述，该像素电路包括：光电二极管201，调制栅晶体管202、调制栅晶体管203、传输栅晶体管204、传输栅晶体管205、复位晶体管207、复位晶体管208、浮动扩散电容FD1、浮动扩散电容FD2、源极跟随器210、源极跟随器211、选通晶体管212和选通晶体管213。

如图4所示，在复位时间内，分别对像素中的光电二极管201和浮动扩散电容FD1、浮动扩散电容FD2进行复位操作，在该时间内，复位晶体管207、复位晶体管208的栅极信号RST保持高电平，这样，保证了浮动扩散电容FD1、浮动扩散电容FD2上的电荷被完全复位。

在积分时间内，所有的复位信号拉低，传输栅晶体管204的栅极TX、传输栅晶体管205的栅极TX，这两个传输栅信号TX拉高，即传输晶体管204和传输栅晶体管205打开，像素中的两个TAP信号分别为相差半个周期的同频信号。

具体的，如图4所示，即在一个时钟周期内依次打开PGA和PGB。更具体的，在时钟的前半个周期，PGA信号拉高，调制栅晶体管202打开，像素中产生的光生电子通过调制栅晶体管202进入浮动扩散电容FD1并在其中保存；在时钟的后半个周期，PGB信号拉高，调制栅晶体管203打开，像素中产生的光生电子通过调制栅晶体管203进入浮动扩散电容FD2并在其中保存。

当积分时间完成后，PGA和PGB这两个信号均保持低电平，像素中产生的光生电子不会被导出，此时，即积分时间完成。

与传统电路不同的是，在读出时间内，传输信号TX拉低之前，PGB信号再继续拉高一段时间，该时间长度是RST信号拉低后到PGA信号的第一次拉高即PGA信号的第一个上升沿到来时之间的任何一段时间，示例性的，该时间长度可以等于RST信号拉低后到PGA信号的第一次拉高即PGA信号的第一个上升沿到来时的时间长度。

需要说明的是，在读出阶段，选通晶体管212的栅极SEL1信号和选通晶体管213的栅极SEL2信号，依次被拉高，即当传输晶体管204和传输晶体管205以及调制晶体管203关断后，首先，选通晶体管212的栅极SEL1接高电平，此时，存储在FD1上的光生电子被读出，在选通晶体管212的栅极SEL1保持一定时间的高电平后，将其拉低，完成FD1上电荷的读取。然后，选通晶体管213的栅极SEL2拉至高电平，此时，存储在FD2上的光生电子被读出，在选通晶体管213的栅极SEL2持一定时间的高电平后，将其拉低，完成FD2上电荷的读取。

当FD1和FD2的电荷都被读出后，该像素电路的一个工作周期完成。即在该周期内完成了复位，积分和读出的所有功能。

如上所述，在复位阶段结束至积分阶段开始，也就是说，在从RST拉低后，即复位晶体管207和复位晶体管208关闭，到PGA信号被拉高，即调制栅晶体管202开启前，也就是，光生电子被传输至FD1上存储之前，背景光会被像素中的光电二极管201收取并积累，且在PGA打开时被传输至FD1上存储。

可选择的，在读出时间内，RST信号拉高，可以提供像素电荷的溢出路径，改善图像质量。

因此，本申请提出电路，在读出时间段内，调制晶体管203的栅极PGB信号仍然保持一段时间的高电平，且该时间长度可以等于RST信号拉低后到PGA信号的第一个上升沿到来时的时间长度，这样就可以保证，同样时长背景光信号可以被像素中的光电二极管201收取并积累，且在PGB打开时被传输至FD2上存储。在实际应用中，相同时长的背景光信号被认为会产生相同的光生电子，导致相同的背景噪声，因此，本申请提出的电路，可以通过设置调制栅在读出时间段内再次开启，消除背景噪声。

如图5所示，本申请还提供了一种用于减少图像传感器的背景噪声的方法，即在RST信号拉低之前，复位晶体管207，复位晶体管208关断之前，TX信号先拉低，等到RST拉低之后，PGA信号拉高之前，TX信号再拉高，与传统的TX信号在RST信号拉低之前就拉高TX相比，这样可以降低电荷注入效应，进一步提高图像传感器的测距精度。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于减少图像传感器背景噪声的像素电路，其特征在于，

包括：

光电二极管，用于接收光信号，并生成光生电子；

第一调制晶体管和第二调制晶体管，分别与所述光电二极管连接用于调制所述光生电子；

第一传输晶体管和第二传输晶体管，用于传输所述光生电子，所述第一调制晶体管与所述第一传输晶体管连接并形成第一节点，所述第二调制晶体管与所述第二传输晶体管连接并形成第二节点；

第一复位晶体管，与所述第一传输晶体管和/或第二传输晶体管连接，用于复位所述第一节点和/或第二节点；

其中，当所述像素电路完成积分之后，所述第二调制晶体管再次开启，开启时间为第一时间。

2.如权利要求1所述的像素电路，该第一时间介于第一复位晶体管关断后到第一调制晶体管开启前。

3.如权利要求1或2所述的像素电路，在所述第一复位晶体管关断之前，所述第一传输晶体管和/或第二传输晶体管关断，在所述第一调制晶体管开启之前，所述第一传输晶体管和/或第二传输晶体管开启。

4.如权利要求1至3任一项所述的像素电路还包括，像素复位晶体管，与所述光电二极管连接，用于复位所述光电二极管。

5.一种图像传感器，其特征在于，包括如图1至4所述任一项的像素电路。

6.一种用于消除图像传感器背景噪声的方法，其特征在于，包括：

复位，将所述传感器中电路的各个节点的电压复位；

积分，将所述图像传感器接收到的光生电子传输至存储单元累计；

读出，将所述存储单元上的光生电子读出；

其中，在读出时间内的第一时间，再次收集光生电子，再将收集到的光生电子读出。

7.如权利要求6所述的方法，所述第一时间不超过所述复位截止至积分开始的时间差。

8.如权利要求6或7所述的方法，在像素复位完成之后积分开始之前，禁止所述光生电子传输至存储单元，所述像素复位是指对于所述图像传感器中的光电二极管进行复位。

9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质包括如权要6至8任一项中的方法。

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